阶段空场嗣后充填采矿法采场长度优化及工程运用

边培涛 王文凯

【摘要】为了顺利完成矿山开采工作，保障生产过程中的安全性，需要优化阶段空场嗣后充填采矿法采场长度，可以建立采场模型，确定不同的工作工序是否会对矿房稳定性造成影响，结合分析结果优化采场结构参数，充分发挥出阶段空场嗣后充填采矿法的优势作用。

关键词：阶段空场嗣后充填采矿法；采场长度；优化措施；工程运用

阶段空场嗣后充填采矿法具有较高的生产效率，可以节省采矿资金投入，提高管理工作的便利性，在当前金属矿山中广泛利用。为了充分发挥出阶段空场嗣后充填采矿法的作用，在工程运用过程中需要优化长度，优化采场结构参数，并且在工程中利用该参数，保证矿山生产的安全性和高效性。

一、采场稳定性计算模型

某铁矿属于铁矿床，主要是结晶灰岩或大理岩层间中存在矿体，岩溶裂隙不断发育，在矿体顶板中具有较多的结晶灰岩和大理岩等，局部位置存在矽卡岩和角砾状灰岩等，底板主要为矽卡岩等，同时包含少量的结晶灰岩等【1】。在矿区设计过程中利用阶段空场嗣后充填采矿法，回采不稳固矿体的时候，因为当地矿区非常复杂，岩石具有破碎性特点，缺乏稳定性。

（一）模型构建背景

通过分析矿山生产情况，在矿山中硐室中设置条形矿柱。矿柱的稳定性关系到顶板的稳固性，因此需要分析矿柱的承载力和稳定性的影响因素，以现场实际情况为基础构建矿柱稳定性计算模型，确定各种因素的影响下，矿柱稳定情况，因此明确采场失稳的机理。

（二）模拟方案

1.顶板竖向位移对比分析

结合矿场实际情况构建采场模型，因此在实际工作中需要经历九个步骤。在第一步骤和第二步骤的时候，只是小范围的改变了顶板位移量，形成了凿岩硐室和切割槽，不会较大地影响到采场顶板的稳定性。在进行到第四步骤的时候，显著增加了顶板竖向的位移量，进行到第六步骤之后，持续性的增加顶板竖向位移量，位移量超过了50mm，相关规定说明位移量超过50mm将会破坏岩石的稳定性，这时采场的开采长度为36m。

通过分析不同步骤顶板竖向位移量，发现在第一步骤和第二步骤阶段，主要是在顶板中部产生了最大位移量，顶板中部指的是凿岩硐室联络巷。进行到第三步骤之后，最大位移量出现在已经开采的矿顶顶板位置【2】。进入到第四步骤之后，在已采矿体的顶板出现了最大位移量。进入到第五步骤之后，逐渐增大了顶板位移量。进入到第六步骤之后，扩大了最大位移量的分布面积，最大位移量已经超过了50mm，这是已经无法保证顶板的稳定性。进入到第七步骤，在已采矿体的顶板部位全面覆盖了最大位移量，顶板已经无法保持稳定性。

2. 应力对比分析

逐渐增加开挖步骤支护，顶板竖向拉应力呈现出先增加后减小的状态，最后逐渐趋于稳定。在第四步骤的时候，并没有显著改变顶板拉应力。进入到第五步骤，显著增加了拉应力。在后续几个步骤之后开始降低顶板拉应力。在最后步骤顶板拉应力已经趋于稳定。结合矿场实际情况，确定开采进入到第五步骤之后，顶板拉应力已经超过了采矿场的抗拉强度，已经影响到顶板结构的稳定性。在后续开采过程中因为重新分布了应力，因此减少了拉应力。

在开挖第一步骤和第二步骤的时候，主要是在凿岩硐室的中部和联络巷顶部顶板中部分布顶板应力。进入到第三步骤之后，在顶板结构中产生了拉应力。在第四步骤之后，因为增加了顶板最大拉应力分布范围，而且进入到第五步骤之后，产生的拉应力已经大于矿石的抗拉强度，不利于保障顶板结构的稳定性【3】。进入到第六步骤之后，在顶板中全面覆盖了顶板最大拉应力。根据矿山实际生产情况，当进入到第五步骤之后已经降低了顶板的稳定性，在后续开挖过程中因为重新分布了应力，因此减小了拉应力值。

3. 侧帮位移分析

侧帮最大水平位移和开发步骤之间具有紧密的联系。在开挖之前的三步骤，侧帮结构并没有产生较大的水平位移。进入到第四步骤之后，突然增加了侧帮最大水平位移，逐渐增加开挖步骤之后也会随之增加位移量。进入到第六步骤之后，达到了最大的位移增量。进入到第七步骤之后侧帮最大水平位移量已经超过了相关标准，这时已经无法保证侧帮的稳定性。

在开挖前三步骤之后，主要是在条形矿柱上分布最大水平位移，而且没有出现最大的水平位移值。进入到第四步骤之后，在侧帮结构中出现了最大的位移量。进入到第五步骤之后，逐渐扩大最大位移分布面积，在第六步骤之后已经在整个采场侧帮中分布了最大水平位移。在第七步骤之后，在整个采场侧帮全面覆盖了最大水平位移，已经无法稳固侧帮。

4. 应力分析

逐渐增加开挖步骤之后，将会随之增加侧帮水平拉应力。在前四步骤中，并没有显著改变侧帮拉应力。进入到第五步骤之后，显著增加了侧帮水平拉应力。在后续步骤中快速提升顶板拉应力。通过分析采矿场实际情况，当开挖区进入到第五步骤之后，侧帮拉应力大于矿区矿石的抗拉强度，不利于稳固侧帮结构。

在第一步骤和第二步骤的时候，主要是在采场矿体自由面上分布最大应力。在第三步骤之后，侧帮结构开始产生拉应力。进入到第四和第五步骤之后，逐渐扩大了侧帮结构上最大拉应力的分布面积，并且已经超过了矿石的抗拉强度，不利于稳固侧帮结构。在后续开发步骤中，在侧帮结构中已经全面覆盖了最大拉应力，而且采场中上部最缺乏稳定性。

（三）塑性区分析

开挖进入到第三步骤之后，顶板结构出现剪切拉伸破坏问题，但是可以维持基本的稳定性，条形矿柱也发生了剪切破坏，而且这种破坏会继续发展。在侧帮结构中没有改变塑性区，主要是崩矿自由面上分布剪切破坏。进入到第四步骤之后，侧帮结构也发生了剪切破坏，顶板结构的中发生了拉伸剪切破坏问题。进入到第五步骤之后，在侧帮结构中发生了剪切破坏，逐渐贯通了塑性区域，将会逐渐降低侧板钢结构的稳定性【4】。逐渐扩大顶板结构的拉伸剪切破坏塑性区域的面积，直接影响到顶板结构和侧帮结构的稳固性。

通过以上分析可以确定，当采场的开采工作进入到第五步骤之后，已经影响到了采场的稳定性，而这一步骤的采场侧向长度为36m，因此在生产过程中，需要控制采场的长度在36m范围内。

（四）工程应用

该铁矿的首采段为-170m~-230m，利用阶段空场嗣后充填采矿法，可以保障采场矿来那个和回采率满足相关标准。同时在实际生产过程中，可以保证矿房顶板和侧帮的稳定性，因此保证井下工作人员和生产过程的安全性。通过本文分析，去诶单功能采场宽为18m、长为26m，即可保证采场生产力和稳定性，避免发生任何安全问题。

结束语：

本文主要分析了阶段空场嗣后充填采矿法采场长度优化和工程运用，结合某铁矿的实际情况进行模拟分析，得到以下结果：在开采过程中会逐渐增大顶板压力，影响到采场的稳定性。在侧向崩矿36m之后，侧帮结构水平拉应力将会超过抗拉强度，不利于稳固侧帮结构。通过综合分析顶板侧帮位移和应力分析结果以及塑性区变化状态等，并且根据矿山实际情况判断岩石的稳定性，可以控制采场长度在36m范围内。

参考文献：

[1]刘志义,李国斌,甘德清等.阶段空场嗣后充填采矿法采场长度优化及工程应用[J].矿业研究与开发,2023,43(11):12-17.

[2]谭丽龙,于德宁,陈成等.阶段空场嗣后充填采矿法生产能力分析与研究[J].采矿技术,2023,23(05):211-214.

[3]刘海生,刘卫国,张玲飞.下向深孔阶段空场嗣后充填采矿法的优化研究[J].现代矿业,2023,39(08):71-74.

[4]孙星,安龙.深部低品位资源阶段空场嗣后充填采矿法采场结构优化与稳定性控制[J].黄金,2023,44(07):75-82.